合肥市跨区核心路口感应控制应用实践
有助于大队提升路网通行效率,降低城区通行压力,优化道路交通环境
近期,全国各地掀起了一股直、右车道随信号实时可变的设置热潮,该车道的通行权随交通信号控制可进行直行与右转的转换,既可以提高路口直行的通行能力,同时又能兼顾右转的通行效率,可谓一举两得。
建设背景
受引江济淮金寨路桥重建工程和金寨南路快速化改造工程影响,合肥至肥西出行,特别是经开区、政务区、高新区、蜀山区出行逐渐转向以翡翠路、集贤路为主,并在过桥后向县城主城区汇聚,逐渐形成了以翡翠路-三河路为核心的交通枢纽。
由于翡翠路-三河路路口需要同时承担县城内出行需求和合肥至肥西的跨区域出行需求,出行规律复杂多变。传统的固定配时方案无法很好的适应出行需求的不断变化,往往造成有时车少,绿灯空放浪费;有时车多,绿灯不足,车辆需要2次排队甚至多次排队才能通过,出行延误高,通行效率低下,出行体验极差。为了改善这一问题,我们配合肥西县交警大队在翡翠路-三河路、三河路-珍珠路2个路口开展基于视频车辆检测的感应式智能配时控制系统应用。
该智能配时控制系统使用基于人工智能的面向车辆自动检测、跟踪、识别与智能分析的视频交通数据智能采集设备,采集分析路口的电警、卡口或自建的相机视频流,实时监测每个车道的排队长度、车辆行驶速度、车流量变化情况,辅助信号机对信号配时方案进行实时优化。
系统具备车辆通行连续性检测,能够实时检测排队车辆实际通行情况,结合信号机感应式智能控制算法,摆脱了传统感应控制依靠过车触发延时的弊端,能够有效避免高峰时车速慢、过车触发间隔变大、无法触发绿灯延时的问题,保障系统在高峰时段时段依然精准有效。可实现有车的时候增加绿灯时间,所有车辆一个绿灯通过,不用多次排队;没车的时候提前结束当前绿灯,降低绿灯空放,减少其他方向的“干等”时间,节省更多时间给有通行需要的方向。感应式智能配时控制系统的建设能够有效提高路口通行效率,减少绿灯时间损失和停车延误,防止路口排队溢出,实现路口信号控制系统由“车看灯”到“灯看车”的转变。
该智能配时控制系统的建设使用在很大程度上有助于缓解翡翠路-三河路、三河路-珍珠路2个路口通行压力,在高峰期避免严重拥堵,提高路口交通信号对控制需求变化的响应能力,提升路面通行效率。
现状分析
2.1路口情况
肥西县城位于合肥市西南方向,受江淮大运河分割,市区与县城主要通行道路主要有集贤路、翡翠路和金寨南路。2021-2023年金寨路南延快速化改造工程正式启动,道路封闭施工,主要通行需求全部集中到集贤路、翡翠路,由于集贤路、翡翠路与肥西县城城区北部连接,车辆驶入后需要左转进入县城,导致路口流量存在明显的潮汐变化,转向流量存在明显失衡。多种因素造成翡翠路-三河路、三河路-珍珠路2个路口拥堵严重,早晚高峰排队严重。
图1
2.2路网分析
受金寨路桥重建工程和金寨南路快速路改造工程影响,合肥至肥西主要交通出行需求,逐渐转移至翡翠路和集贤路,城区内的交通出行组织随之发生重大变化,并逐渐形成了以翡翠路-三河路为核心的交通枢纽。
图2 路网通行需求分析示意图
2.3通行需求分析
新的枢纽需要同时承担县城内出行需求和合肥至肥西的跨区域出行需求,出行规律复杂多变,主要特征如下:
1、由于翡翠路桥跨度较大,下桥后直接抵达三河路,大部分车辆一是左转驶入县城,二是调头前往周边小区及商超;
2、翡翠路、集贤路位于核心城区西侧,早晚高峰进出以左转和右转为主,通行需求不对称,存在一定的潮汐变化;
3、县城内出行需求与合肥至肥西的跨区域需求存在一定的时间差,特别是晚高峰,17:30左转县城内出行集中,17:50-18:20由合肥返回车辆居多;
4、不同的出行需求持续时间短,规律难以把握,使用多时段精细化配时管理难度大,传统的固定配时无法根据流量变化而自动调整,导致需求增多时绿灯不够,车辆需要2次或多次排队通行,需求减少时,绿灯仍在空放,而其他方向却要“干等”,绿灯利用率极低;
5、翡翠路-三河路作为枢纽路口,信号配时放行周期较大,周边路口放行周期较小,容易导致:
大路口由于红灯等待时间较长,容易积攒上游路口多个方向多组绿灯放行的车辆,造成排队过长,部分车辆需要2次或多次排队通行;
小路口(三河路-珍珠路)周期短,赶上大路口绿灯放行通行需求很大,遇到大路口红灯,实际通行车辆又很少,每个周期通行需求变化幅度很大;
6、位于翡翠路-江淮大道桥下的旭辉商场节假日期间活动带来的临时性不均衡大流量难以及时疏散。
综上所述,由于施工及路网分布形成了以翡翠路-三河路为枢纽的,通行需求不对称、通行需求时间分布不均衡、连续通行流量波动大等复杂多变的交通通行需求。传统的固定配时控制无法满足如此复杂多变的交通,极容易造成有的方向空放、有的方向拥堵这类不饱和拥堵问题。
2.4渠化分析
2.4.1翡翠路-三河路
随着铁路下穿桥的贯通,三河路成为肥西县连接城区西部的重要道路,翡翠路则是连接肥西与经开区的重要道路。路口渠化示意如下图所示。
图3 翡翠路-三河路渠化示意图
由图可知:
Ø三河路东向西方向:路段设计为双向6车道,路口进口道拓宽5车道,车道类型设置为2左转+2直行+1右转;
Ø三河路西向东方向:路段设计为双向6车道,路口进口道拓宽5车道,车道类型设置为2左转+2直行+1右转,出口道拓展为4车道,其中最外侧为公交停靠港湾;
Ø翡翠路南向北方向:路段设计为双向8车道,路口进口道拓展为6车道,车道类型设置为2左转+3直行+1右转,出口道拓展为5车道,其中最外侧为公交停靠港湾;
Ø翡翠路北向南方向:路段设计为双向8车道,路口进口道拓展为6车道,车道类型设置为2左转+2直行+1左转+1右转,其中靠外侧左转主要供翡翠路桥下辅道左转车辆使用,出口道拓展为5车道,最外侧为公交停靠港湾;
2.4.2三河路-珍珠路
三河路是肥西县城东西方向主要道路,珍珠路是桥南一条支路。由于三河路往县城方向更接近南北走向,因此三河路-珍珠路在设备安装中定义三河路为南北走向,珍珠路为东西走向。路口渠化示意如下图所示。
图4 三河路-珍珠路渠化示意图
由图可知:
Ø三河路南北方向:路段设计为双向6车道,路口进口道拓宽4车道,车道类型设置为1左转+2直行+1直右;
Ø珍珠路东西方向:路段设计为双向4车道,车道类型设置为1直左+1直右;
感应式智能配时控制系统解决方案
区别于传统的感应控制,科力感应式智能配时控制系统一是使用了基于人工智能的视频检测技术,获取更加精准详细的交通出行参数,二是使用科力感应式智能配时控制算法,摆脱了传统感应控制依靠过车触发延时的弊端,能够有效避免高峰时车速慢、过车触发间隔变大、无法触发绿灯延时的问题,保障系统在高峰时段时段依然精准有效。
3.1感应式智能配时信号控制装置
3.1.1传统感应控制
(1)传统感应控制简介
传统的感应控制通过断面检测,获取路口过车流量,在最小绿运行末端进行过车检测判定,有车辆通过延长一个单位时间,并在下个单位时间再次进行检测判定延时,直到某个单位检测时间内未检测到车辆通行时,当前绿灯开始绿闪并切换至下个相位,并对下个相位重复上述检测判定。传统感应控制延时示意如下图所示。
图5 传统感应控制延时示意图
(2)传统感应控制的不足
传统的感应控制缺少能够反映车辆持续通行状态的占有率检测判定功能,往往导致感应控制在某些情况下出现“明明排队等待通行的车辆很多,但绿灯却不延时”、“明明平峰延时效果挺好,高峰车多了反而效果不行”等感应控制“失灵”的问题。这一类感应控制“失灵”的问题实际上是因为车辆检测器检测信息有限,信号机控制算法缺少更多的判定算法,具体问题及表现有:
Ø单位检测/延长时间一般根据路口车辆通行车头时距设置,一般小汽车车头时距在3-5s,超出5s则车辆离散严重,继续延长绿灯反而会降低路口通行效率,直观的表现就是路面基本看不到车了,绿灯存在空放现象,因此为了提高平峰清空效果,单位检测/延长时间一般不会甚至太大;
Ø大车一般在通过路口时会适当降低速度,同时为了保障通行安全,大车也会有意保持与前车的跟车距离,同时由于大车车身较长,无形中也拉长了后车的车头时距,从而间接导致了大车通过时大车所处的单位检测/延长时间内后车无法触发延时,出现“明明后面排队等待通行的车辆很多,但绿灯却不延时”的问题;
Ø类似的问题还在调头慢、非机动车干扰机动车的连续通行、直左同时放行相互干扰等会延长车头时距检测的情况下出现,进而出现“明明平峰延时效果挺好,高峰车多了反而失灵了”的问题;
Ø传统感应控制在面对大车慢行、调头干扰、非机动车干扰、直左同放干扰等特殊情况时,一般采用加大单位检测/延长时间的方式解决,但该方式会小汽车在十分离散时仍能触发延时,平峰表现为清空效果差,高峰表现为其他方向排队拥堵严重,当前绿灯放行方向没车了绿灯仍不切换,即“小车清空效果差,大车延时效果差”。
(3)检测器故障降级保障不够完善
传统感应控制检测器故障降级依赖于检测器自身上报故障信息,要么故障过于“敏感”,大部分时间处于降级模式,无法发挥感应控制的优势提高路口通行效率;要么故障过于“迟钝”,未检测到车辆信息却迟迟不上报故障,导致信号机判定路口无车运行最小绿,实际路口堵到无法正常通行;要么故障检测单元自身故障,信号机什么都收不到,信号机如同瞎子一般直接运行最小绿。
3.1.2 科力感应式智能配时控制
科力感应式智能配时控制是在传统感应控制模式基础上,同时升级车辆检测器和信号机算法,使二者配合更加默契,在很大程度上避免了传统感应控制的漏洞,实现全天段的感应式智能配时控制,极大的提高了路口通行效率。科力感应式智能配时控制主要改进了以下检测和控制算法。
(1)车道占有率检测及占有延时
通过视频车辆检测器的车道占有率检测识别车辆持续通行状态,并在车道占有检测的情况下也能绿灯触发延时,有效避免大车慢行、调头干扰、非机动车干扰、直左同放干扰等特殊情况下绿灯不延时问题。
通过检测器和信号机的双重算法改进,小车按过车检测和车头时距检测,在保障延时的同时能够及时识别临界条件,最大程度减少绿灯空放,提升路口通行效率;在遭遇大车慢行、调头干扰、非机动车干扰、直左同放干扰等特殊情况时,能够通过车道占有率检测识别车辆持续通行状态,及时自动延时,保障车辆的正常通行。
算法改进后,能够很好的识别并处理各类场景需求,做到“有车延时,所有车辆一个绿灯通过,不用多次排队;没车时提前结束当前绿灯,节省更多时间给有通行需要的方向”,真正实现路口信号控制系统由“车看灯”到“灯看车”的转变。
(2)多重检测器故障检测保障
视频车辆检测器与信号机联动判定检测器故障,具体如下:
Ø视频车辆检测器自身可智能识别检测过程故障,并向信号机上报对应的故障信息;
Ø视频检测器自身可识别检测视频源故障信息,当用于监测分析的视频源提供设备故障,检测器无法获取视频源时,视频检测器将主动上报当前视频源对应检测通道故障信息;
Ø当视频检测器自身故障或离线时,信号机通过心跳协议判定对应视频检测器故障,并上报当前视频检测器对应的所有通道故障信息。
(3)分部式故障降低措施
信号机算法支持分部式故障降低处理,具体如下:
Ø信号机可自定义检测器故障降级条件,以此调解故障降级的灵敏度,保障在一定合理范围内依然能够正常运行感应式智能信号配时控制;
Ø信号机运行的每个阶段独立判定检测器故障并分部执行故障降级,如东西直行检测器故障降级为固定配时方案,其他放行阶段仍执行感应式智能信号配时控制算法;
Ø所有阶段降级均降级为当前配时方案的固定绿灯时间,即运行感应式智能信号配时控制方案前的固定配时方案,最大程度上降低对路口正常运行的干扰。
3.2控制策略
感应式智能信号配时控制本质上是通过检测车头时距判断跟车紧密度,保障跟车较为紧密的车辆均能一次通过路口,避免二次排队,同时在根据紧密度下降后主动切换相位,降低绿灯空放率。感应控制调试的主要参数有:绿灯延长时间、最小绿、最大绿。感应控制参数调整可参考以下建议。
3.2.1最小绿
最小绿是每个相位必须运行的最小绿灯时间,是保障各种车辆行人等正常通行的最小时间。
Ø一般情况下,最小绿应能满足车辆起步并行使至道路中心点,保障车辆能够正常清空;
Ø考虑到起步延误,最小绿的设置需要保障车辆起步至流率稳定阶段,以保障车辆请求后能够满足后续车辆跟车通过的基本需求;
Ø当路口过街距离较大,过街时间较长,超过机动车最小绿时,最小绿应优先考虑行人过街的基本需求;
Ø最小绿的功能是保障各类交通参与者的基本通行,因此以最大的最小为最终选择。
3.2.2最大绿
最大绿是当前相位持续来车情况下系统允许延长的最大绿灯时间。是一种认为强制设定绿灯上限的措施,避免检测器误检误报时绿灯无限延长,导致路口无法正常放行的保障措施。
Ø一般情况下,相位绿灯时间会根据车流量大小在最小绿至最大绿之间变化,以车辆情况或离散程度超出设置范围为结束判定依据,绿灯时长随车流量变化而变化是提高路口绿灯利用率,提升通行效率的关键;
Ø最大绿是保障当前连续来车可以一次通过的关键,在不同转向之间通行互不干扰的情况下,最大绿应保障最大排队情况下能够一次清空;
Ø多个相位连续达到最大绿时需要对最大绿进行适当限制,一般有限保障容易排队溢出的方向、持续时间短的方向;
Ø多个相位同时持续大流量,相位经常连续出现最大绿,则需要对路口重新进行评估。
3.2.3绿灯延长时间
绿灯延长是信号机收到车辆经过检测器请求时相位延长的单位绿灯时间,也是用来检测后续是否有过车请求的单位时间。绿灯延长时间决定了感应控制延长时间效果,一般设置为3-5s。
Ø一般情况,延长时间至少要满足车辆经过检测器后能够正常通过停车线;
Ø道路较窄车速较低,或左转车辆速度明显较低,需要适当增加绿灯延长时间,保障下一辆机动车能够在单位延长时间内触发请求;
Ø各方向转向稳定车头时距不同时,可以分别设置不同的单位延长时间。
四
建设情况
科力感应式智能配时控制系统由视频车辆检测器和支持感应式智能配时控制算法的科力信号机组成。
路口使用的视频车辆检测器为KL-VVDKL-VVDS-02型视频车辆检测器,该检测器可单独建设检测相机,也可直接接入电警或卡口视频流进行数据分析。经现场查看翡翠路-三河路有电警相机和卡口相机视频流可用,三河路-珍珠路仅有电警相机视频流可用。翡翠路-三河路卡口和电警视图、三河路-珍珠路电警视图如下图所示。
图6 翡翠路-三河路卡口视图 翡翠路-三河路电警视图
图7 三河路-珍珠路主要方向电警视图
根据翡翠路-三河路卡口视图可知,视频检测器位置位于进口道实线末端,距离停车线约80m,以平均车速50km/h计算,车辆触发请求后,大约需要5.76s才能通过停车线,单位延长时间必须设置很大才能满足清空需要,导致绿灯使用效率降低。因此,综合考虑选用电警相机视频流作为车辆检测器视频分析源。
将选定的电警相机视频源通过网络接入科力视频车辆检测器,运用深度学习、图像识别、相机精确检校、目标跟踪等技术,构建了面向交通应用的车辆智能检测模型,实现了车辆的高精度检测与流量信息、排队长度、过车时间、行驶速度、车头时距、占有率等交通信息的实时智能化提取,将过车数据实时发送至信号机,结合科力感应式智能配时控制算法实现高峰时段的实时感应控制。
图8 视频车辆检测器虚拟线圈设置界面
翡翠路-三河路和三河路-珍珠路检测器虚拟线圈编号及部署位置如下图所示。
图9 视频车辆检测器虚拟线圈编号及部署位置示意图
应用效果
经过为期2个星期的试运行和多轮方案、策略优化,目前路口运行已趋近平稳,效果较为显著。
5.1翡翠路-三河路
(1)优化前
路口全天使用一套固定配时方案,相位周期高达172s,最大红灯等待时间为134s。在平峰和夜间时段周期过大,红灯等待时间过长;高峰时段流量波动较大时,部分方向存在绿灯不足,需要二次或多次排队通过问题。
同时由于路口附近有大型商超,节假日期间存在不定期大流量,无法通过精细化固定配时实现路口配时优化。
(2)优化后
路口信号配时根据流量变化自动调整,平峰和夜间流量较低时,周期最低可将至114s,最大红灯等待时间降低至96s;高峰时段能够随着车流量通行需求的增加最大增加至244s,满足高峰时突然增加的大流量。实际观察中,一般少有多个相位同时达到最大绿的情况,周期在140s-190s区间波动变化。
优化后的感应式智能信号配时控制对节假日不定期大流量应对优势更大,系统能够根据流量变化自动调整配时,
(3)以三河路西向东左转为例
Ø晚高峰初始阶段,西向东左转需求较低。优化前,无论车多车少每个周期均需要固定放行38s(含黄灯),空放情况比较严重;优化后,绿灯随车流量减少而降低,减少西向东左转的空放,压缩的时间一方面降低了其他方向的等待时间,另一方面平衡了其他方向因流量增加而提高的绿灯时间,避免整个路口放行周期过大,其他方向红灯等待时间过长。
Ø晚高峰中后期阶段,随着合肥返回车辆陆续到达,西向东左转需求不断增加。优化前,无论左转待转车流量多少,每个周期仍固定放行38s(含黄灯),出现车辆需要二次排队通行的情况,无法一次通行的滞留车辆将会进一步加剧二次排队情况,甚至出现需要多次排队情况;优化后,绿灯随车流量增加而提高,面对集中抵达的大流量,西向东左转最大可运行56s(含黄灯),基本能够实现左转清空,现场观察有连续2-3个周期绿灯运行至最大绿,保障待转车辆一个绿灯通行的基础上,有效避免车辆滞留引起的交通拥堵。
优化前后配时方案对比如下表所示。
5.2三河路-珍珠路
(1)优化前
路口全天使用一套固定配时方案,相位周期147s,最大红灯等待时间为109s。考虑到三河路-珍珠路是主干道与支路交叉口,该相位周期在平峰和夜间时段周期过大,红灯等待时间过长;高峰时段,受上游翡翠路-三河路大周期影响,往往出现上一个周期大量车流驶入通行需求大、下一个周期未赶上驶入车流放行则通行需求小的交替变化状态,随着流量波动,较大时,部分方向存在上一个周期绿灯空放,下一个周期绿灯不足,需要二次或多次排队通过问题。
受附近大型商超影响,节假日期间存在不定期大流量,无法通过精细化固定配时实现路口配时优化。
(2)优化后
路口信号配时根据流量变化自动调整,平峰和夜间流量较低时,周期最低可将至94s,最大红灯等待时间降低至73s;高峰时段能够随着车流量通行需求的增加最大增加至199s,满足高峰时突然增加的大流量。实际观察中,一般少有多个相位同时达到最大绿的情况,周期在100s-160s区间波动变化。
优化后的感应式智能信号配时控制对节假日不定期大流量应对优势更大,系统能够根据流量变化自动调整配时,
(3)以三河路北向南左转为例
自上游连续驶入的翡翠路北向南左转和三河路西向东直行在晚高峰时段均为主要流量来源,导致一次驶入车流较大。同时由于两个路口周期不同,自翡翠路-三河路驶入车流时间差不固定,在三河路-珍珠路绿灯放行时,实际等待通行的车流量忽大忽小,通行需求波动很大。现场观测出现三河路北向南左转在上一个周期运行20s,下一个周期运行至最大绿66s(左转清空),甚至连续两个周期左转延时至最大绿的情况。
优化前后配时方案对比如下表所示。
应用推广
感应式智能信号配时控制系统,是在传统感应控制基础上升级完善的智能控制算法,能够依据更加全面的交通流检测,配合完善的算法,实现高峰时段的信号配时智能控制。对于整个路口出行规律多变、单个通行方向高峰持续时间短、不同通行方向高峰时间不同步、节假日易发大流量等复杂多变路口,相较于常规控制方式极具优势和推广价值。
感应式智能信号配时控制系统对以下路口信号配时控制具有明显效果:
1、核心城区外围连接其他城区的枢纽路口。这类枢纽路口往往需要同时承担城区内部通行需求和跨城区通行需求,但需求之间又存在一定的时间差,固定配时很难精确把握出行规律的变化。感应式智能信号配时控制系统,能够很好的适应流量的变化,无论出行需求如何变化,都能实现通行效率的最大化应用。
2、景点、商超等节假日或活动日期间出现大流量的路口。这类路口经常因节假日、活动日吸引大量出行需求,造成路口临时性拥堵,此时适用于日常的信号配时方案无法满足特殊出行的需求,往往需要投入大量警力、物力进行指挥调度。使用感应式智能信号配时控制系统,能够很好的根据流量变化自动调整,极大程度上缓解了交通部门的管理压力。
3、其他出行规律多变的路口。感应式智能信号配时控制系统,通过视频检测器与信号机控制算法相互配合,能够在复杂情况下准确把握复杂多变的出行需求,并以此为依据实时调整绿灯时长,实现路口信号控制系统由“车看灯”到“灯看车”的转变,解决复杂路口难以管理的现实问题。
4、一般普通路口。普通路口在夜间、平峰、早晚高峰时段出行需求也有明显的差别,一般通过划分时段设置分时段固定配时进行精细化管理,需要投入大量人力物力,当路口出行规律发生变化时,人工优化也存在很大的滞后性。使用感应式智能信号配时控制系统后,路口能够根据流量变化,自动调整信号配时,夜间和平峰流量少时运行周期小,高峰流量大时运行周期大。系统完善的故障上报降级功能在检测器故障时也能维持正常运行,极大的降低了运维成本。
总体而言,感应式智能信号配时控制系统全面铺开建设和使用,可有助于大队提升路网通行效率,降低城区通行压力,优化道路交通环境。
作者简介:宋志洪、宣林川、陈家旭 安徽科力信息产业有限责任公司
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